FAQs zu CO2 in der Kältetechnik - Fragen und Antworten zum Einsatz von CO2 in Kälteanlagen und Wärmepumpen
Kohlendioxid (CO2, R 744) wurde schon Mitte des vorletzten Jahrhunderts als potenzielles Kältemittel erkannt und vor allem Anfang des vorigen Jahrhunderts für Kälteanlagen genutzt. Noch Ende der 1930er Jahre zählte CO2 zu den häufigen Kältemitteln, wurde dann aber von den sogenannten „Sicherheitskältemitteln“ verdrängt. Das Interesse ist in den vergangenen Jahren jedoch wieder gestiegen. Manuel Fröschle, Produktmanager natürliche Kältemittel bei GEA Refrigeration Technologies, beantwortet häufig gestellte Fragen (Frequently Asked Questions) und gibt Tipps, was bei der Planung und dem Umgang mit CO2 zu beachten ist.
CO2-Phasendiagramm. Der Betrieb subkritischer (unterkritischer) CO2-Systeme ist nur zwischen dem Tripelpunkt (Pt) und den kritischen Punkt (Pc) möglich. Bei Überschreiten des kritischen Punktes spricht man von transkritischen (überkritischen) Systemen, in denen Drücke von weit über 100 bar auftreten können.
Sowohl für die Normalkühlung als auch für die Tiefkühlung werden z. B. in Supermärkten heute schon häufiger CO2-Anlagen eingesetzt.
Warum erfährt CO2 als Kältemittel derzeit ein Comeback?
Die Tatsache, ein natürliches Kältemittel verwenden zu können, weckt das Interesse aufseiten der Verbraucher und Anlagenlieferanten. CO2 ist preiswert, denn es kann auf vielen Wegen, z.B. als Nebenprodukt industrieller Prozesse produziert werden.
Durch die FCKW-Halon-Verbotsverordnung wurden die ehemals als „Sicherheitskältemittel“ bezeichneten Substanzen wie R 12, R 22 und R 502 vom Markt verdrängt, da sie als nicht umweltfreundlich gelten. Das Kältemittel CO2, auch als R 744 bekannt, ist hingegen klimafreundlich: Es hat kein Ozonabbaupotenzial (ODP) und sein Treibhausgaseffekt (GWP) ist gleich eins. Seine TEWI-Bilanz (Total Equivalent Warming Impact) ist günstig und bei eventuellen Verlusten, ob bei Erstbefüllung, Servicearbeiten oder aufgrund von Leckagen im System, ist es nicht notwendig, das Kältemittel zurückzugewinnen oder besonders zu entsorgen. Es ist somit umweltfreundlicher als die meisten gängigen Kältemittel. Zum Vergleich: Das in vielen Autoklimaanlagen verwendete R134 a hat ein GWP von etwa 1300.
Ist CO2 gleich CO2? Welche Anforderung wird an die Reinheit gestellt?
Als Kältemittel ist Kohlendioxid nur verwendbar, wenn es „trocken“ ist. Es sollte nicht mehr als 5 ppm Wasser enthalten. Zudem ist eine hohe Reinheit gefordert. Empfohlen wird z.B. CO2 4.5. Dabei steht die Zahl 4.5 für eine 99,995%ige Reinheit.
Welche thermodynamischen Eigenschaften hat CO2?
Während bei den meisten Kältemitteln der „kritische Punkt“ und der „Tripelpunkt“ in der Praxis keine besondere Rolle spielen, sind sie bei der Verwendung von CO2 sehr wichtig. Der kritische Punkt liegt bei etwa +31°C und 74 bar, was vergleichsweise niedrig ist. Im kritischen Punkt sind die Dichte des Dampfes und die von CO2 als Flüssigkeit identisch. Oberhalb dieser Temperatur treten sehr hohe Drücke auf. Falls das System nicht für diese Drücke ausgelegt ist, muss es vor einer Erwärmung über den zulässigen Druck geschützt werden. Hierfür sind geeignete Maßnahmen zu treffen. Aufgrund des hohen Druckgradienten, also der Zunahme des Drucks mit steigender Temperatur, sind auch beim Betrieb unterhalb des kritischen Punktes konstruktive Vorsichtsmaßnahmen erforderlich. Hinzu kommt, dass durch eine Erwärmung der Anlage (z.B. durch die Umgebungstemperatur) dies zu einem deutlichen Druckanstieg führen kann. Entsprechende Schutzmaßnahmen können das Ablassen von CO2 bei zu hohem Druck, eine Hilfskühlung oder ein CO2-Ausgleichsgefäß sein. Bei synthetischen Kältemitteln ist dies in der Regel nicht erforderlich.
Der Tripelpunkt ist der Punkt, bei dem alle drei Aggregatzustände – fest, flüssig und gasförmig – auftreten und sich in einem thermodynamischen Gleichgewicht befinden. Er liegt bei -56,6°C und 5,2 bar. Für einen subkritischen (unterkritischen) Betrieb kommt der Bereich zwischen dem Tripelpunkt und dem kritischen Punkt infrage. Selbst hierfür müssen die CO2-Anlagen je nach Einsatz für Betriebsdrücke bis zu 75 bar geeignet sein, also für etwa dreimal höhere Drücke als konventionelle Lösungen. Erfolgt ein Betrieb oberhalb des kritischen Punktes, wird der Verflüssiger zu einem reinen Gaskühler und die Anlagen sind auf einen Betriebsdruck von weit über 75 bar auszulegen. Im diesem transkritischen (überkritischen) Betrieb lässt sich CO2 auch für höhere Temperaturen einsetzen. Es eignet sich dann auch als Kältemittel für Wärmepumpen.
Bisher sind überkritische Systeme die Ausnahme. Was ist der Grund?
Bei den überkritischen Systemen handelt es sich um ein junges Anlagendesign mit neuen Komponenten und einer komplexen Anlagentechnik. Aufgrund dieser Tatsache sind die Kosten dieser Systeme derzeit noch relativ hoch und Service bzw. Instandhaltung dieser Systeme sind oft noch nicht ausreichend geschult.
Wie verhalten sich die Gesamtkosten einer Kälteanlage, die mit CO2 betrieben wird?
Früher galten Komponenten für CO2-Kälteanlagen als teuer, und tatsächlich waren sie aufgrund der geringen Nachfrage noch vor wenigen Jahren rund 20 bis 30% teurer als diejenigen für synthetische Kältemittel. Das hat sich zwischenzeitlich aber zum Teil geändert. Es gibt viele Serienprodukte, nicht zuletzt aufgrund der steigenden Nachfrage nach Supermarkt-Kälteanlagen.
Hinsichtlich der Energieeffizienz sind CO2-Kälteanlagen besonders dann lohnenswert, wenn ihr Einsatz bei einer Umgebungstemperatur bzw. Temperatur auf der warmen Seite von durchschnittlich unter 15°C erfolgt. Dabei gilt: Je höher die Temperatur, desto geringer die Effizienz. Ab etwa 15°C ist ein CO2-System weniger effektiv als eines mit synthetischem Kältemittel wie R 134 a oder R 404 A.
Welche thermodynamischen und konstruktiven Vor- oder Nachteile bringt CO2 mit sich?
CO2 bietet zahlreiche Vorteile: Es hat ein günstiges Druckverhältnis und eine 5- bis 8-mal höhere volumetrische Leistung als konventionelle Kältemittel: Daher können Komponenten wie der Verdichter und die Rohrdurchmesser deutlich kleiner ausfallen, was zu kürzeren Abtauzeiten führt, den Materialeinsatz reduziert und das Anlagengewicht verringert. Durch den hohen Wärmeübertragungskoeffizienten können auch die Wärmeübertrager relativ klein gebaut werden. Außerdem ist aufgrund der geringen Viskosität wenig Pumparbeit in einem CO2-System zu leisten. Von Vorteil ist das vor allem bei Anlagen mit einer großen Netzlänge, wie sie in Frostern oder in Supermärkten vorkommen, z.B. bei Direktverdampfersystemen zur Tiefkühlung.
Was CO2 maßgeblich von gängigen Kältemitteln unterscheidet, sind die anderen Arbeitsverhältnisse, wie der eingeschränkte Arbeitsbereich bei subkritischen Systemen. Aufgrund des Tripelpunktes lassen sich mit CO2 auch keine Temperaturen unter etwa -50°C herstellen.
Ist der Umgang mit Kohlendioxid als Kältemittel gefährlich und wie kann man sich ggf. schützen?
CO2 ist in geringen Mengen ungiftig, reizt weder Haut noch Augen und ist nicht brennbar. Der Arbeitsplatzgrenzwert liegt bei 5000 ppm. Gefährlich sind nur große Mengen CO2, denn es ist schwerer als Luft und verdrängt daher den Sauerstoff. Große Mengen CO2 könnten daher zum Ersticken führen. Gefährlich an CO2 ist, dass man es im Gegensatz zu Ammoniak nicht riechen kann – ein Nachteil, den es mit vielen anderen Kältemitteln gemeinsam hat. Durch CO2-Sensoren lässt sich die Konzentration des Gases im Raum jedoch leicht feststellen. Wie bei anderen Kälteanlagen ist bei der Aufstellung in einem geschlossenen Raum eine entsprechende Lüftung vorzusehen, die das CO2 bei Austritt aus der Anlage nach draußen führt und für sauerstoffreiche Luft im Technikraum sorgt. Ebenfalls sind bei geschlossenen Technikräumen akustische und optische Melder zu installieren, die auf Gefahren aufmerksam machen. Darüber hinaus sollten Druckwächter eingesetzt werden, um Leckagen zu erkennen.
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